Prioniproteiini: Monien muotojen ja kasvojen molekyyli Osa 1

Tiivistelmä: Solun prioniproteiini (PrPC) on glykosyylifosfatidyyli-inositoliin (GPI) ankkuroitu proteiini, jota löytyy eniten hermosolujen ulkokalvosta. Rakenteellisten ominaisuuksien (joustava Tailand-rakenteinen ydin) ansiosta PrPC on vuorovaikutuksessa monien kumppaneiden kanssa.

Viime vuosina monet tutkimukset ovat osoittaneet, että solujen prioniproteiineilla on tärkeä suhde eläinten muistin kehittymiseen ja ylläpitoon.

Soluprioni (Herpes simplex virus, HSV) on virus, jota esiintyy laajalti ihmisväestössä ja jota pidetään yhtenä tärkeimmistä neurologisten sairauksien ja ihosairauksien patogeeneista. HSV-1 ja HSV-2 ovat kaksi yleisintä virustyyppiä ihmisillä.

Äskettäinen tutkimus osoitti, että HSV{0}}-virusproteiini voi edistää ihmisten ja eläinten muistin kehittymistä ja ylläpitämistä. Tämän tutkimuksen tulokset osoittivat, että HSV-1-infektio esiintyy pääasiassa ihmisen hyvin varhaisissa elämänvaiheissa, ja virusproteiinit kerääntyvät ihmisen hermostoon ja säätelevät välittäjäaineiden vapautumista ja synaptista siirtymistä. Nämä säätelyvaikutukset auttavat parantamaan aivojen muistin toimintaa ja parantamaan spatiaalista kognitiota ja huomiokykyä.

Lisäksi HSV{0}}-virusproteiinilla on myös tietty suhde kehon immuunivasteeseen ja antiviraaliseen vasteeseen. Tutkimukset ovat osoittaneet, että HSV-1-virusproteiinin vaikutus aktivoi kehon immuunivasteen ja vaikuttaa aktiivisesti kehon "muisti-T-soluihin" vahvistaen näin elimistön antiviraalista puolustusta. Tällä löydöllä on kauaskantoinen merkitys HSV:n-1 ja eläinten immuniteetin välisen suhteen tutkimisessa.

Lyhyesti sanottuna solun prionivirusproteiinin ja muistin välinen suhde tarjoaa laajan tutkimusalueen tulevalle muistin, hermoston toiminnan ja immuunivasteen tutkimukselle, ja sillä odotetaan olevan tärkeä rooli siihen liittyvien sairauksien ehkäisyssä ja hoidossa. Voidaan nähdä, että meidän on parannettava muistia, ja Cistanche voi parantaa muistia merkittävästi, koska Cistanche voi myös säädellä välittäjäaineiden tasapainoa, kuten nostaa asetyylikoliinin ja kasvutekijöiden tasoa, jotka ovat erittäin tärkeitä muistille ja oppimiselle. Lisäksi Cistanche voi myös parantaa verenkiertoa ja edistää hapen toimitusta, mikä voi varmistaa, että aivot saavat riittävästi ravintoa ja energiaa, mikä parantaa aivojen elinvoimaa ja kestävyyttä.

Napsauta tietää lisäravinteita parantaaksesi muistia

Vaikka PrPC:n on ehdotettu osallistuvan moniin fysiologisiin toimintoihin, vain ääreishermon myelinaatiohomeostaasi on toistaiseksi vahvistettu bona fide -toiminnoksi.

PrPC:n väärinlaskostuminen aiheuttaa prionisairauksia, ja PrPC:n on osoitettu välittävän runsaasti oligomeerien aiheuttamaa neurotoksisuutta Alzheimerin ja Parkinsonin taudissa sekä hermosuojaa iskemiassa.

Proteolyyttisen katkaisun jälkeen PrPC muuttuu PrP:n vapautuneiksi ja kiinnittyneiksi muodoiksi, jotka voivat PRPC:n sisältämistä rakenteellisista ominaisuuksista riippuen osoittaa suojaavia tai myrkyllisiä ominaisuuksia.

Tässä katsauksessa hahmotellaan prioniproteiinin ja prioniproteiinifragmenttien ominaisuuksia sekä yleiskatsaus niiden osallistumiseen vuorovaikutuksessa oleviin kumppaneihin ja signaalireitteihin myelinaatiossa, hermosolujen suojauksessa ja hermostoa rappeutuvissa sairauksissa.

Avainsanat: prioniproteiini; prioniproteiinifragmentit; hermosolujen suojaus; myelinisaatio; iskeeminen aivohalvaus; neurodegeneratiivinen sairaus.

1. Johdanto

Prioniproteiini (PrP) on erittäin konservoitunut kaikkialla esiintyvä glykoproteiini. Se on olemassa kahdessa muodossa; normaali tai sellulaarinen isoformi, PrPC, ja tautiin liittyvä tarttuva isoformori scrapie PrP, PrPSc.

PrPSc:n patologista roolia on tutkittu laajasti priondisairaudessa, ja sitä on käsitelty useissa julkaisuissa [1–3]. PrPC ekspressoituu useissa erilaisissa elimissä ja kudoksissa korkeilla ekspressiotasoilla keskus- ja ääreishermostojärjestelmissä.

Sitä esiintyy runsaasti hermosolujen solupinnalla [4–6] ja se on osallisena monissa fysiologisissa mekanismeissa. Proteiinin toiminta jää selvitettäväksi; Siitä huolimatta intensiiviset tutkimukset yhdistävät PrPC:n myeliinin homeostaasiin [7], neuroprotektioon [8,9], vuorokausirytmiin [10,11], metalli-ionien homeostaasiin [12,13], mitokondrioiden homeostaasiin [14] ja solujen väliseen signalointiin [6,15]. ,16].

Neuroneissa PrPC on läsnä aksoniterminaalien presynaptisissa ja postsynaptisissa osastoissa, joissa se on osallisena anterogradisessa ja retrogradisessa aksonin kuljetuksessa [17–20]. Proteaasit pilkkovat PrPC:n solukalvolla muodostaen vapautuneita ja kiinnittyneitä muotoja.

Viime vuosina prioniproteiini ja prioniproteiinin vapauttamat muodot ovat saaneet huomiota korrelaatiossa hermosolujen suojauksen kanssa hermostoa rappeutuvissa sairauksissa.

Tässä katsauksessa esittelemme prioniproteiinin ja prioniproteiinin vapautuneet muodot, teemme yhteenvedon niiden osallistumisesta myelinaatioon, hermosolujen suojaamiseen ja hermostoa rappeutuviin sairauksiin ja keskustelemme viimeisimmistä löydöistä tällä alalla.

2. Prioniproteiini

Kypsä ihmisen PrPC koostuu joustavasta rakenteemattomasta N-terminaalisesta domeenista (aminohappotähteet 23–120) ja strukturoidusta C-terminaalisesta domeenista (aminohappotähteet 121–231).

Se on ankkuroitu solukalvoon glykosyylifosfatidyyli-inositoli (GPI) -ankkurilla [21,22]. Joustava N-terminaalinen domeeni sisältää oktarepeat-alueen, kun taas strukturoitu verkkoalue koostuu kolmesta kierteestä, kahdesta arkista, disulfidisidoksesta, joka yhdistää kysteiinit 179, 2149 ja 2149. ja kaksi N-glykaania aminohappotähteissä 181 ja 197 [23,24] (kuvio 1).

PrPC voi muuttua arkkirikkaaksi isoformiksi PrPSc, joka on altis autokatalyyttiselle konversiolle ja aggregaatiolle liukenemattomiksi aggregaatteiksi [22,25,26]. Patologisen proteiinin epänormaali kertyminen aivoihin voi aiheuttaa tarttuvien spongiformisten enkefalopatioiden (TSE) kehittymisen, jotka tunnetaan myös prionisairauksina.

Prionisairauksia ovat muun muassa Creutzfeldt–Jakobin tauti (CJD), Gerstmann–Sträussler–Scheinkerin oireyhtymä (GSS), fatalfamiliaalinen unettomuus (FFI) ja kuru ihmisillä, naudan spongiforminen enkefalopatia nautaeläimillä, scrapie vuohilla ja lampailla sekä krooninen uupumustauti hirvieläimillä.

Kaikki prionitaudit ovat harvinaisia ​​kuolemaan johtavia hermoston rappeutumissairauksia. Prionisairauksien kliiniset ja neuropatologiset piirteet ihmisillä ovat samanlaisia ​​kuin Alzheimerin taudin (AD), kuten nopea muistin menetys ja aivotoiminnan menetys sekä dementia, aivojen spongiformiset muodonmuutokset, persoonallisuuden muutokset ja liikkumisvaikeudet [15,27] .

Vaikka prionisairauksia esiintyy myrkyllisten PrPSc-aggregaattien kerääntymisen vuoksi aivoihin, PrPC:n muuttumisen PrPSc:ksi ja prionisairauden kehittymisen taustalla oleva mekanismi on edelleen tuntematon.

Sen lisäksi, että PrPC on prionisairauksien kehittymisen substraatti, se voi toimia sytotoksisten amyloidi-(A)-oligomeerien [20,28] ja tau-proteiinin toksisten liukoisten aggregaattien reseptorina AD:ssa ja muissa tauopatioissa [29,30].

On myös vastakkaisia ​​tutkimuksia -synukleiini (-syn) -oligomeerien PrPC-sitoutumisesta Parkinsonin taudissa (PD) ja muissa synukleinopatioissa, mikä avaa keskustelun PrPC:n roolista -synukleiinin toksisuudessa [30–33].

3. Prioniproteiinifragmentit

PrPC voi läpikäydä neljä translaation jälkeistä pilkkoutumista, jolloin muodostuu PrP-fragmentteja (kuvio 1). Katkaisu ja katkaisu tapahtuvat rakenteettoman N-terminaalisen domeenin sisällä, kun taas -katkaisu ja PrP:n irtoaminen tapahtuvat strukturoidussa C-terminaalisessa domeenissa.

Mainittujen katkaisujen lisäksi PrPC on pilkottu koeolosuhteissa fosfolipaasi C:llä, joka pilkkoi PrPC:n GPI-ankkurin sisällä [34,35]. Katkaisukohta, fragmentin pituus ja kalvon kiinnittyminen sallivat fragmenttien osallistua erilaisiin mekanismeihin.

3.1. -Leikkaus

-katkaisu on PrPC:n tutkituin pilkkoutuminen. Sitä esiintyy fysiologisissa olosuhteissa kypsän PrPC:n keskeisellä hydrofobisella alueella (aminohappotähteet 105–120 ihmisen sekvenssissä 111/112) [36–38] (kuva 1).

Katkaisu vapauttaa ~11 kDa:n fragmentin N1, kun taas ~18 kDa:n osa C1 pysyy kiinnittyneenä solukalvoon GPIanchorin avulla [36,39]. Toistaiseksi ei ole olemassa ainutlaatuista entsyymiä, joka olisi vastuussa -katkaisusta [24,40].

Vaikka katkaisukohdat on määritetty lajeille, katkaisu ei siedä sekvenssin vaihtelua tällä alueella niin kauan kuin sen hydrofobisuus säilyy [38].

Tutkimukset ovat osoittaneet, että pilkkoutuminen ihmisen aivoissa, hiirimalleissa ja hermosoluviljelmissä tapahtuu ADAM10- ja ADAM17-entsyymien läsnä ollessa [41–43].ADAM10 edistää konstitutiivista N1-tuotantoa, kun taas ADAM17 osallistuu pääasiassa N1:n muodostumiseen stimulaation yhteydessä [44]. ,45]. ADAM8:n on myös osoitettu pilkkovanPrPC:n muodostaen N1:tä ja C1:tä lihaksissa [46].

ADAM8:n, ADAM10:n ja ADAM17:n roolia -pilkkomisessa on tuettu myös biofysikaalisessa tutkimuksessa [47]. Fragmentilla N1 on suhteellisen alhainen stabiilisuus; siitä huolimatta sen havaittiin olevan läsnä kehon nesteissä, kudoshomogenaateissa tai soluviljelmien supernatanteissa [39, 48, 49].

Pilkkomisen ajateltiin alun perin tapahtuvan happamissa endosomaalisissa osastoissa [50,51], mutta myöhemmät tutkimukset osoittivat, että pilkkoutuminen tapahtuu PrPC:n vesikulaarisessa liikenteessä eritysreittiä pitkin [52,53].

Katkaisu käyttää PrPC:tä substraattina, mikä johtaa sen solupinnan pienenemiseen. Koska PrPC on myös prionien replikaation substraatti ja myrkyllisyyden avainvälittäjä prionisairauksissa, AD:ssa ja muissa hermostoa rappeutuvissa sairauksissa, katkaisulla on positiivinen biologinen vaikutus.

PrPC:n joustava N-terminaalinen osa on välttämätön proteiinin vuorovaikutukselle sitoutumispartnereiden kanssa, jotka säätelevät PrPC:n ottoa ihmiskaupassa [54,55]. Ilman N1:tä C1 muodostaa komplekseja solukalvolle [56] ja on vakaampi ja pysyvämpi solun pinnalla kuin PrPC [50].

Fragmentti C1 voidaan pilkkoa solun pinnalla ja vapauttaa solunulkoiseen tilaan [57]. C1:n havaittiin estävän prionien replikaatiota hiirissä [58,59], kun taas fragmentti N1 on hermoja suojaava [60,61]; -katkaisun puuttuminen on myrkyllistä sekä soluille että hiirille [47,62].

3.2. -Leikkaus

Katkaisu tapahtuu -katkaisukohdan oktapeptiditoistoalueen N-päässä. -katkaisua havaitaan enimmäkseen patologisissa olosuhteissa ja se on samanlainen kuin -katkaisu. Se näyttää toimivan suojelevasti.

Se tapahtuu aminohappotähteen 90 ympärillä muodostaen fragmentin N2 (~9 kDa) ja fragmentin C2 (~20 kDa) [36,37,48,63] (kuvio 1). PrPC:n pilkkoutumista välittävät reaktiiviset happilajit (ROS) [37,63–66].

Poistamalla ROS:n pilkkominen suojaa soluja oksidatiiviselta stressiltä [65]. ROS:n lisäksi katkaisua indusoivat kalpaiinit [67], lysosomaaliset proteaasit [68, 69] tai jopa ADAM8 [47].

Proteinaasi K pilkkoo PrPSc:n (PrP27–30) proteaasiresistentin ytimen lähellä kohtaa 90, jolloin muodostuu fragmentti, jonka pituus on samanlainen kuin C2. Samoin kuin fragmentti C1, fragmentti C2 voi myös irrota solun pinnasta [70].

Tällaisen fragmentin muodostuminen osoittaa, että katkaisuun osallistuvat proteaasit voivat myös olla osallisena solun yrityksissä hajottaaPrPSc:tä [71,72].

3.3. -Leikkaus

Viimeisin PrPC:n proteaasikatkaisu on -katkaisu. Katkaisukohta PrPC:ssä on vielä määrittämättä, mutta vapautuneen fragmentin N3 (~20 kDa) ja GPI-ankkuroidun fragmentin C3 (~5 kDa) koot viittaavat siihen, että proteiinin pilkkoutuminen tapahtuu aminohappotähteiden 170 ja 200 välisellä alueella [73, 74] (Kuva 1).

Tutkimukset osoittavat, että katkaisu tapahtuu myöhään glykosyloimattoman proteiinin eritysreitin aikana matriisin metalloproteaasien (MMP) perheen jäsenten läsnä ollessa [73].

Syy, jonka vuoksi -katkaisu tapahtuu vain glykosyloimattomalla PrPC:llä, oletetaan johtuvan glykaanien steerisestä esteestä proteaasien toimintaan ehdotetun katkaisukohdan läheisyydessä [40,75].

-Katkaisun on havaittu esiintyvän eri lajeissa, kudoksissa ja soluviljelymalleissa. Sen roolin määrittäminen vaatii lisätutkimuksia, vaikka osoitus C3-fragmentin lisääntyneistä määristä CJD-aivoissa voi johtaa mahdolliseen patogeeniseen merkitykseen [73].

3.4. Prioniproteiinin irtoaminen

C-pään lähellä on myös tärkeä PrP:n pilkkoutuminen. Katkaisu katkaisee PrP:n solunulkoiseen tilaan, jolloin solun pinnalle jää pieni määrä aminohappotähteitä.

Pilkkominen kuvattiin varhaisessa tutkimuksessa [35, 39, 76, 77], mutta se on saanut enemmän huomiota viime vuosina, koska irronnut PrP on osallisena sairauksissa [40, 63, 78–83].

Samoin kuin -katkaisu, PrP:n irtoaminen tapahtuu ADAM-perheen entsyymien läsnä ollessa. In vitro ja in vivo -kokeet viittaavat siihen, että ADAM9 ja ADAM10 ovat osallisena katkaisuprosessissa ja PrP:n irtoamisessa [47,84–86], missä ADAM10 on PrP:n ensisijainen sheddaasi ja ADAM9 on ADAM10:n aktiivisuuden modulaattori [24] ].Shed PrP määritettiin ensin hamstereista.

Prionitartunnan saaneissa hamsterien aivoissa shedPrP edusti noin 15 % PrPSc-molekyyleistä [76]. Lisäanalyysi osoitti, että ADAM10 katkaisi PrP:n Gly228:n ja Arg229:n väliin ja muodosti irtoaneen PrP:n, joka päättyi Gly228:aan [84].

ADAM10:n katkaisukohdan profiilia tutkiva analyysi paljasti, että katkaisua ei aiheuta ainutlaatuinen sekvenssi [87].

Näin ollen ADAM10-proteaasi voi tuottaa erittyneen PrP:n variantteja riippuen proteiinisekvenssistä ja konformaatiosta. Jansen ja työtoverit kuvasivat ankkuroimattomia PrP-muotoja, jotka päättyvät Tyr225:een ja Tyr226:een, potilailla, joilla on prionisairauksia [88].

Kirjoittajat karakterisoivat kaksi prionisairauksia sairastavaa potilasta, joilla oli stop-mutaatioita kohdissa Y226X ja Q227X ja jotka ilmensivät vastaavat muodot. Käyttämällä monoklonaalista vasta-ainetta V5B2 [89], joka sitoutuu spesifisesti PrP:n fragmenttiin, joka päättyy Tyr226:een, kuvailimme samanaikaisesti PrP:n vapaan muodon, nimeltään PrP226*, olemassaolon [90–94].

PrP226*:n jakautuminen ihmisen aivoissa on yhdistetty PrPSc:n jakautumiseen [90,94]. Useamman kuin yhden irtoamismuodon olemassaolon vuoksi oletimme, että proteolyyttinen kohta ihmisen sekvenssissä ei sijaitse yksinomaan aminohappotähteiden 228 ja 229 välissä, vaan se sijaitsee C-pään läheisyydessä [95] (kuvio 1).

Äskettäin Linsenmeier et ai. julkaisi kattavan tutkimuksen PrPC-proteolyyttistä irtoamista stimuloivasta mekanismista [81]. Eläinmalleja ja kontrolleja käyttämällä he osoittivat, että PrP:n irtoaminen korreloi negatiivisesti prionikonversion kanssa ja että erittynyttä PrP:tä on runsaasti läsnä amyloidiplakeissa.

He tutkivat myös PrP-ohjattujen vasta-aineiden PrPC:hen sitoutumisen vaikutusta irtoamisalttiuteen. Kokonaisten anti-PrP-vasta-aineiden sitoutuminen PrPC:n C-terminaaliseen rakenteelliseen domeeniin tai yksiketjuisiin vasta-ainejohdannaisiin, jotka on suunnattu toistuviin epitooppeihin N-terminaalisen domeenin oktarepeat-alueella, stimuloi irtoamista, kun kokonaisten anti-PrP-vasta-aineiden sitoutuminen oktarepeatiin N-terminaalisen domeenin alue lukitsee N-terminaalisen domeenin rakenteen ja aiheutti PrPC-pinnan klusteroitumisen, endosytoosin ja hajoamisen lysosomeissa [81].

4. Prioniproteiini ja myelinisaatio

PrPC ekspressoituu runsaasti keskushermostossa (CNS) ja ääreishermostossa [4,5]. Kädellisten aivoilla, jyrsijän aivoilla ja siirtogeenisillä hiirillä tehdyt tutkimukset osoittivat, että se on rikastunut aksoneja pitkin ja presynaptisissa päätteissä, joissa se osallistuu anterogradiseen ja retrogradiseen aksonien kuljetukseen [4,17,18,96–98].

PrPC-katkaisualueen deleetiot osoittivat vakavaa demyelinisaatiota sekä selkäytimessä että pikkuaivojen valko-aineessa in vivo [99 100] Myöhemmin vahvistettiin, että aksonaalinen PrPC ja sen pilkkoutuminen ovat välttämättömiä pro-myelinaatiolle ääreishermostossa [101].

Käyttämällä koisogeenistäPrP-poisto-hiirimallia Kuffer et ai. havaitsi, että aksonaalinen PrPC edistää myeliinin ylläpitoa transissa sitoutumalla adheesio-G-proteiiniin kytkettyyn reseptoriin Adgrg6 Schwann-soluissa, joissa on N-terminaalinen joustava häntä [7].

He myös vahvistivat, että hiirillä, joista puuttui PrPC, kehittyi krooninen demyelinisoiva neuropatia, mikä viittaa siihen, että myelinaatiohomeostaasi ääreishermostossa on PrPC:n vilpitön fysiologinen toiminto [7].

Myeliinin ylläpidon havaittiin säädeltävän PrPC:n N-päästä vapautuneen fragmentin (oletettavasti N1 tai irronnut PrP) sitoutumisen Adgrg6:een Schwann-soluissa.

Vuorovaikutus aktivoi Adgrg6:n, lisäsi cAMP:n tasoja soluissa ja laukaisi myelinaatiota edistävän signaalikaskadin [7]. Perifeerisen myeliinin ylläpidon säätely PrPC:n avulla vahvistettiin viidessä eri PrP-knockout-hiirimallikannassa, jotka kehittivät myöhään alkavan perifeerisen neuropatian [101–103].

Äskettäin yritettiin kehittää perifeeristen demyelinisoivien sairauksien hoito, joka perustuu PrPC:n N-terminaalisen domeenin ja Adgrg6:n väliseen sitoutumiseen [104]. Tässä tutkimuksessa he rakensivat immunoadhesiinimolekyylin, joka koostui kahdesta joustavasta PrPC:n N-terminaalisesta domeenista, jotka oli liitetty immunoglobuliini G1:n (FT2Fc) kiteytyvään fragmenttiin (Fc) [104].

Molekyyli osoitti edullisia farmakokineettisiä ominaisuuksia ja osoitti potentiaalia in vitro, mutta sillä ei ollut terapeuttista vaikutusta demyelinaation varhaisiin molekulaarisiin merkkeihin PrP-knockout-hiirillä [104].

PrPC:tä tutkittiin myös perifeerisen myeliinin kehittymisen ja hermovaurioiden jälkeisen regeneraation yhteydessä [105]. Koska PrP:n havaittiin olevan välttämätön tässä mekanismissa, voidaan olettaa, että PrP:llä ei ole suurta roolia ääreishermon korjausprosessissa tai sen puuttuminen saattaa kompensoitua muilla ligandilla [105].

PrPC:n myelinaatiota ja muita fysiologisia rooleja on tutkittu intensiivisesti eläinmalleilla, joissa PrP-geenin ilmentyminen on poistettu tai pudotettu.

Tutkimukset ovat osoittaneet rajallisia negatiivisia vaikutuksia hiirillä [102,106–109], nautakarjalla [110] ja vuohilla [68,111,112], kun taas tutkimukset PrP-knockout-hiirillä tai vuohilla osoittivat hermoston puutteita ja herkkyyttä oksidatiiviselle stressille [6,101,3]11. Useita PrP-knockout-hiirimalleja luotiin sekoitettu tausta [106,109,114-116].

Koska tutkimukset eivät ole toistettavissa malleissa, tämä saattaa herättää kysymyksen siitä, johtuivatko havaitut fenotyypit todellisuudessa Prnp:n viereisten geenien polymorfismista tai PrPC:n puuttumisesta. Tämän ongelman välttämiseksi olisi suositeltavaa toistaa keskeiset kokeet käyttämällä koisogeenisiä PrPknockout-hiiriä.

Vaikka PrPC:n rooli keskushermostossa on selvitettävä, PrPC:n ja PrPC:n vapauttamat fragmentit ovat välttämättömiä perifeerisen hermon myeliinin homeostaasissa, mutta ne voivat olla välttämättömiä hermojen palautumisessa.

For more information:1950477648nn@gamil.com